第42卷第7 中国测试 Vol 42 No. 7 016年7月 CHINA MEASUREMENT tEst July, 2016 doi:10.11857/issn.l6745124.2016.07.001 MEMS壁面剪切应力传感器研究进展 雷强,高杨23,王雄4 (1.西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010;2.中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621999 核探测与核电子学国家重点实验室(中国科学院高能物理硏究所),北京100049; 4.中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳621000) 摘要:壁面剪切应力的时间特性是用于反映单个动量运输过程中非稳态结构的一个测量参数,也是湍流中相干位点 的一个表征方法,是一个重要的壁面湍流的物理量。目前,主要基于近壁或壁面处的平均速度梯度和换热率与壁面切 应力成正比的基础上对MEMS壁面剪切应力开展研究。因此,对MEMS璧面剪切应力传感器进行综述。根据不同的测 量方式,MEMS剪切应力传感器主要分为直接测量和间接测量两种类型。对每种测量方法的原理、研究现状、优点和限 制进行分析。MEMS技术使得剪切应力传感器取得显著的进步,提高空间和时间分辨率,以及测量结果的准确度。但 令Ns剪切应力传感器还需要进一步发展并且量化测量中的不确定度才能成为一种可靠的剪切应力测量技术。最 未来MEMS剪切应力传感器的发展方向进行总结 关键词 传感器;剪切应力;湍流测量 文献标志码:A 文章编号:1674-5124(2016)07-0001-08 The development progress of MEMs wall shear stress sensors LEI Qiang, GAO Yang., WANG Xiong. (1. School of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010,China 2. Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, China 3. State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Institute of High Energy Physics, CAS Beijing 100049, China; 4. China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China) Abstract: Time characteristic of wall shear stress, not only a measurement parameter used to reflect unsteady structure during individual momentum transport in flow state, but also a characterization method of corresponding points in turbulence, is an important physical indicatorfor wall turbulence. At present, the research on MEMS wall shear stress is mainly based on the fact thatmean velocity gradient and heat transfer rate near the wall or on wall surface is proportional to the wall shear stress on wall surface. So this paper summarizes the MEMS wall shear stress sensor. MEMS shear stress sensors are divided into direct measurement and indirect measurement types according to the different ways of measurement. The principles, research status, advantages and limitations of each measurement method have also been analyzed. The wall shear stress temporal resolution. However, MEMS shear stress sensors need further development, and.d sensors have made a significant progress via MEMS technology, which improved the spatial an uncertainty should be quantified in order to become a reliable shear stress measurement technology. Finally, the future development directions of the MEMS shear stress sensors are Keywords: MEMS; sensors; shear stress; tubulence measurement
MEMS 壁面剪切应力传感器研究进展 雷 强 1袁 高 杨 2袁3袁 王 雄 4 （1. 西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621010；2. 中国工程物理研究院电子工程研究所，四川 绵阳 621999； 3. 核探测与核电子学国家重点实验室（中国科学院高能物理研究所），北京 100049； 4. 中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000） 摘 要院壁面剪切应力的时间特性是用于反映单个动量运输过程中非稳态结构的一个测量参数袁也是湍流中相干位点 的一个表征方法袁是一个重要的壁面湍流的物理量遥 目前袁主要基于近壁或壁面处的平均速度梯度和换热率与壁面切 应力成正比的基础上对 MEMS 壁面剪切应力开展研究遥因此袁对 MEMS 壁面剪切应力传感器进行综述遥根据不同的测 量方式袁MEMS 剪切应力传感器主要分为直接测量和间接测量两种类型遥对每种测量方法的原理尧研究现状尧优点和限 制进行分析遥 MEMS 技术使得剪切应力传感器取得显著的进步袁提高空间和时间分辨率袁以及测量结果的准确度遥 但 MEMS 剪切应力传感器还需要进一步发展袁并且量化测量中的不确定度袁才能成为一种可靠的剪切应力测量技术遥 最 后袁对未来 MEMS 剪切应力传感器的发展方向进行总结遥 关键词院MEMS曰传感器曰剪切应力曰湍流测量 文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2016冤07-0001-08 The development progress of MEMS wall shear stress sensors LEI Qiang1，GAO Yang2，3，WANG Xiong4 （1. School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China； 2. Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China； 3. State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics，Institute of High Energy Physics，CAS， Beijing 100049，China； 4. China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China） Abstract: Time characteristic of wall shear stress， not only a measurement parameter used to reflect unsteady structure during individual momentum transport in flow state， but also a characterization method of corresponding points in turbulence，is an important physical indicatorfor wall turbulence. At present，the research on MEMS wall shear stress is mainly based on the fact thatmean velocity gradient and heat transfer rate near the wall or on wall surface is proportional to the wall shear stress on wall surface. So this paper summarizes the MEMS wall shear stress sensor. MEMS shear stress sensors are divided into direct measurement and indirect measurement types according to the different ways of measurement. The principles，research status，advantages and limitations of each measurement method have also been analyzed. The wall shear stress sensors have made a significant progress via MEMS technology，which improved the spatial and temporal resolution. However， MEMS shear stress sensors need further development， and it's uncertainty should be quantified in order to become a reliable shear stress measurement technology. Finally， the future development directions of the MEMS shear stress sensors are summarized. Keywords: MEMS；sensors；shear stress；tubulence measurement 中国测试 CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.42 No.7 July，2016 第 42 卷第 7 期 2016 年 7 月 doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.001
2 中国测试 2016年7月 0引言 作用下偏移的位移,进而解算出剪切应力,不需要提 在流体中,准确测量壁面剪切应力的能力具有前了解流体的环境,这种方法通常是通过一个浮动 广阔的应用范围,可应用于空气动力研究、工业过程元件或浮动头来实现。目前,MEMS剪切应力传感器 控制和生物医学等领域。简单地说,壁面剪切应力是已经发展出浮动元件、微栅栏等直接测量方法。 流体经过物体表面产生的粘性阻力,它是评估任何1.1浮动元件 流体工程设备性能和表面摩擦分布的重要物理量。1.1.1常规浮动元件 在空气动力研究和交通运输设计中,剪切应力相当 浮动元件是最常用的一种直接测量方法。典型 于一个阻碍飞行器或汽车运动的阻力;空气流过内的浮动元件(长L,宽W,厚t,齐平安装)剪切应力 燃机也会产生内部阻力,并且已经证明了这个阻力的传感器结构如图1所示。浮动元件通过微机械系 会显著降低燃烧效率;高速飞行时,粘性阻力所占比绳悬空(间距g),微机械系绳的作用类似于储能弹 重很大。因此,对于航空航天和交通运输等领域表簧,刚度为k。流体流过浮动元件表面,在剪切应力 面摩擦的测量十分重要,因为摩擦阻力的减小就意的作用下,浮动元件会产生一个横向偏移。剪切应力 味着飞行同样航程所消耗的燃料减少凹。剪切应力还与浮动元件的偏移位移相关,这个位移可以通过电 可以用来判断飞行器的分离点(剪切应力为0的点),容和光学等方法检测。 分离点大大增加了飞行器的阻力,也增加了控制飞行 Schmidt等最早研究了MEMS浮动元件剪切应 器稳定的难度表面摩擦也是表征湍流边界层状态力传感器。该传感器由浮动元件和4个系绳组成,在 的重要物理量,对于边界层中湍流的理解和控制,表硅基底上使用聚酰亚胺表面微加工工艺制造。如图 面摩擦具有十分重要的作用。 2所示,3个钝化电极位于晶圆表面,1个薄的导体 湍流边界层具有微秒量级的时间尺度和微米嵌入到浮动元件中,3个平行板电容器能够检测浮 量级的长度尺度(比如在高雷诺数时,长度尺寸可达动元件的偏移。敏感电容Cm和Cn2与浮动元件的偏 100μm,所需带宽>kHz),为了精确测量剪切应力 传感器必须具有很高的时间和空间分辨率。从剪切 应力测量的角度上来看,小的物理尺寸意味着惯性 质量和热容的大幅度减小,从而使得微电子机械系 统( micro- electro- mechanical systems,MEMS)传感器 系绳 浮动元件 适于高时空分辨率和高雷诺数流动的测量。MEMS 技术低成本的优势,使得在大面积/体积的流场内应 用大量/多种微型传感器成为可能,这反过来使得 MEMS传感器适于研究湍流的相干结构和有效开展 (a)俯视图 湍流剪切流动的反应流动控制。目前,已经有许多方 法用于测量壁面剪切应力,并针对应用的目标和环境, 测量要求有所不同←。对于层流测量,传感器必须 能够测量时均剪切应力;对于湍流测量,时均参数和 脉动参数则同样重要。根据测量方式的不同,MEMS 剪切应力传感器可以划分为直接测量和间接测量 截面X-X 两类 直接测量方法 (b)横截面示意图 直接测量方法是通过测量浮动元件在剪切应力 图1典型浮动元件传感器结构示意图 收稿日期:2016-02-10;收到修改稿日期:2016-03-13 基金项目:国家自然科学基金(61574131);中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室基金(2014ZA001) 核探测与核电子学国家重点实验室开放课题基金(2016KF02);西南科学大学特殊环境机器人技术四川省重点实验 室开放基金(14atk01);中国工程物理研究院电子工程研究所创新基金(S20141203);西南科技大学研究生创新基金 作者简介:雷强(1992-),男,四川绵阳市人,硕土研究生,专业方向为微电子机械系统 通信作者:高杨(1972-),男,四川绵阳市人,研究员,博士,主要从事微电子机械系统研究
中国测试 2016 年 7 月 收稿日期院2016-02-10曰收到修改稿日期院2016-03-13 基金项目院国家自然科学基金渊61574131冤曰中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室基金渊2014ZA001冤曰 核探测与核电子学国家重点实验室开放课题基金渊2016KF02冤曰西南科学大学特殊环境机器人技术四川省重点实验 室开放基金渊14zxtk01冤曰中国工程物理研究院电子工程研究所创新基金渊S20141203冤曰西南科技大学研究生创新基金 渊16ycx103冤 作者简介：雷 强渊1992-冤袁男袁四川绵阳市人袁硕士研究生袁专业方向为微电子机械系统遥 通信作者院高 杨渊1972-冤袁男袁四川绵阳市人袁研究员袁博士袁主要从事微电子机械系统研究。 0 引 言 在流体中袁准确测量壁面剪切应力的能力具有 广阔的应用范围袁可应用于空气动力研究尧工业过程 控制和生物医学等领域遥简单地说袁壁面剪切应力是 流体经过物体表面产生的粘性阻力袁它是评估任何 流体工程设备性能和表面摩擦分布的重要物理量[1]遥 在空气动力研究和交通运输设计中袁剪切应力相当 于一个阻碍飞行器或汽车运动的阻力曰 空气流过内 燃机也会产生内部阻力袁并且已经证明了这个阻力 会显著降低燃烧效率曰高速飞行时袁粘性阻力所占比 重很大遥 因此袁对于航空航天和交通运输等领域袁表 面摩擦的测量十分重要袁因为摩擦阻力的减小就意 味着飞行同样航程所消耗的燃料减少[2]遥剪切应力还 可以用来判断飞行器的分离点渊剪切应力为 0 的点冤袁 分离点大大增加了飞行器的阻力袁也增加了控制飞行 器稳定的难度[3]遥表面摩擦也是表征湍流边界层状态 的重要物理量袁对于边界层中湍流的理解和控制袁表 面摩擦具有十分重要的作用[4]遥 湍流边界层具有微秒量级的时间尺度和微米 量级的长度尺度渊比如在高雷诺数时袁长度尺寸可达 100滋m袁所需带宽跃1 kHz冤袁为了精确测量剪切应力袁 传感器必须具有很高的时间和空间分辨率遥 从剪切 应力测量的角度上来看袁 小的物理尺寸意味着惯性 质量和热容的大幅度减小袁从而使得微电子机械系 统渊micro-electro-mechanical systems袁MEMS冤传感器 适于高时空分辨率和高雷诺数流动的测量遥 MEMS 技术低成本的优势袁使得在大面积/体积的流场内应 用大量/多种微型传感器成为可能袁这反过来使得 MEMS 传感器适于研究湍流的相干结构和有效开展 湍流剪切流动的反应流动控制遥 目前袁已经有许多方 法用于测量壁面剪切应力袁并针对应用的目标和环境袁 测量要求有所不同[1袁4-5]遥 对于层流测量袁传感器必须 能够测量时均剪切应力曰对于湍流测量袁时均参数和 脉动参数则同样重要遥 根据测量方式的不同袁MEMS 剪切应力传感器可以划分为直接测量和间接测量 两类遥 1 直接测量方法 直接测量方法是通过测量浮动元件在剪切应力 作用下偏移的位移袁进而解算出剪切应力袁不需要提 前了解流体的环境袁这种方法通常是通过一个浮动 元件或浮动头来实现遥 目前袁MEMS 剪切应力传感器 已经发展出浮动元件尧微栅栏等直接测量方法遥 1.1 浮动元件 1.1.1 常规浮动元件 浮动元件是最常用的一种直接测量方法遥 典型 的浮动元件渊长 Le袁宽 We袁厚 t袁齐平安装冤剪切应力 的传感器结构如图 1 所示遥 浮动元件通过微机械系 绳悬空渊间距 g冤袁微机械系绳的作用类似于储能弹 簧袁刚度为 k遥 流体流过浮动元件表面袁在剪切应力 的作用下袁浮动元件会产生一个横向偏移遥剪切应力 与浮动元件的偏移位移相关袁这个位移可以通过电 容[6-11]和光学[12-13]等方法检测遥 Schmidt 等[6]最早研究了 MEMS 浮动元件剪切应 力传感器遥该传感器由浮动元件和 4 个系绳组成袁在 硅基底上使用聚酰亚胺表面微加工工艺制造遥 如图 2 所示袁3 个钝化电极位于晶圆表面袁1 个薄的导体 嵌入到浮动元件中袁3 个平行板电容器能够检测浮 动元件的偏移遥敏感电容 Cps1 和 Cps2 与浮动元件的偏 Wt Le X X We Lt Lt 流体 系绳 浮动元件 渊a冤俯视图 k k t g 啄 Le 速度 截面 X-X 渊b冤横截面示意图 图 1 典型浮动元件传感器结构示意图 2
第42卷第7期 雷强等:MEMS壁面剪切应力传感器研究进展 3 移位移(剪切应力)呈线性关系,这个位移变量通过容值与剪切应力的大小成正比。该传感器采用多晶 片外的跨阻放大器进行检测。在校准过程中,该传感硅表面微加工制造和片上封装工艺,在层流层中的 器的差分电容检测方案在层流层中线性响应可以达线性响应输出可达4Pa(5Pa时表现出非线性),这 到12Pa,但是该传感器的谐振频率和本地噪声却没种叉指电极浮动元件结构大大促进了浮动元件剪切 有报道。由于湿度的变化会改变聚酰亚胺的机械性应力传感器的发展。 能(残余应力),这会导致机械灵敏度的漂移,传感器 Zha等报道了一种 MEMS浮动元件传感器 的平行板空气介质界面带电物质的积累也会造成灵阵列用于剪切应力测量。该传感器拥有一个可移动的 敏度的漂移,高输入阻抗使得电磁干扰对灵敏度的中心梭子(浮动元件),中心梭子通过折叠梁攴撑悬 影响很大。 空,通过检测中心梭子两侧叉指电极差分电容的变化 Pan和 Hyman等首次将叉指电极引入浮动量来测量横向位移。传感器的机械机构如图4所示, 元件剪切应力传感器,减少了制造工艺的复杂度,从4个内梁和外梁通过锚点固定在基底上,折叠梁结构 此便将叉指电极应用到浮动元件剪切应力电容检用来减少制造过程所引入的残余应力。 测。如图3所示,其工作原理是浮动元件在流体中偏为了增加传感器的灵敏度,可以增加浮动元件 移改变了两个叉指的重叠区域面积(电容),差分电与流体相互接触的有效面积,在中心梭子的表面上 制造一些表面凸起物,如图4所示。整个芯片(1cm2) 浮动元件 内嵌导体 的256个传感器单元被分成16组(2mm2),可以单 独测量每组的局部剪切应力和平均剪切应力。传感 器阵列结构的主要优点是单个元件或者单组在制造 或工作过程中发生故障不会影响整个芯片的功能, 钝化电极 这有利于传感器在非常恶劣的环境中工作。 Padmanabhan等2-提出了基于光电二极管的 检测方法,用于湍流测量的剪切应力传感器。如图5 520μm 片内 片外 图2 Schmidt差分电容读出电路示意图 折叠梁 中心梭子 浮动元件 ■结构层 表面凸起物 000000 000000 叉指 000000 000.000 图4Zhao浮动元件传感器结构原理图 相干于光源 (a)俯视图 浮动元件 C 光电二极管 (b)又指结构示意图 型硅基底 图3Pan和 Hyman差分电容传感器结构示意图 图5光电二极管检测原理图
第 42 卷第 7 期 + - Vd 片外 片内 Csb1 Csb2 VDS 钝化电极 硅 Cps1 Cdp Cps2 浮动元件 内嵌导体 图 2 Schmidt 差分电容读出电路示意图 流体 n+ n+ p-型硅基底 光电二极管 n-型硅 浮动元件 相干光源 图 5 光电二极管检测原理图 移位移渊剪切应力冤呈线性关系袁这个位移变量通过 片外的跨阻放大器进行检测遥在校准过程中袁该传感 器的差分电容检测方案在层流层中线性响应可以达 到 12 Pa袁但是该传感器的谐振频率和本地噪声却没 有报道遥 由于湿度的变化会改变聚酰亚胺的机械性 能渊残余应力冤袁这会导致机械灵敏度的漂移袁传感器 的平行板空气介质界面带电物质的积累也会造成灵 敏度的漂移袁高输入阻抗使得电磁干扰对灵敏度的 影响很大遥 Pan 和 Hyman 等[7-9]首次将叉指电极引入浮动 元件剪切应力传感器袁减少了制造工艺的复杂度袁从 此便将叉指电极应用到浮动元件剪切应力电容检 测遥如图 3 所示袁其工作原理是浮动元件在流体中偏 移改变了两个叉指的重叠区域面积渊电容冤袁差分电 容值与剪切应力的大小成正比遥 该传感器采用多晶 硅表面微加工制造和片上封装工艺袁在层流层中的 线性响应输出可达 4 Pa渊5 Pa 时表现出非线性冤袁这 种叉指电极浮动元件结构大大促进了浮动元件剪切 应力传感器的发展遥 Zhao 等[10-11]报道了一种 MEMS 浮动元件传感器 阵列用于剪切应力测量遥该传感器拥有一个可移动的 中心梭子渊浮动元件冤袁中心梭子通过折叠梁支撑悬 空袁通过检测中心梭子两侧叉指电极差分电容的变化 量来测量横向位移遥 传感器的机械机构如图 4 所示袁 4 个内梁和外梁通过锚点固定在基底上袁折叠梁结构 用来减少制造过程所引入的残余应力遥 为了增加传感器的灵敏度袁可以增加浮动元件 与流体相互接触的有效面积袁在中心梭子的表面上 制造一些表面凸起物袁如图 4 所示遥整个芯片渊1 cm2冤 的 256 个传感器单元被分成 16 组渊2 mm2冤袁可以单 独测量每组的局部剪切应力和平均剪切应力遥 传感 器阵列结构的主要优点是单个元件或者单组在制造 或工作过程中发生故障不会影响整个芯片的功能袁 这有利于传感器在非常恶劣的环境中工作遥 Padmanabhan 等[12-13]提出了基于光电二极管的 检测方法袁用于湍流测量的剪切应力传感器遥 如图 5 雷 强等：MEMS 壁面剪切应力传感器研究进展 图 3 Pan 和 Hyman 差分电容传感器结构示意图 V- V+ C1 C2 渊b冤叉指结构示意图 渊a冤俯视图 V- 系绳 浮动元件 锚 释放孔 V+ 图 4 Zhao 浮动元件传感器结构原理图 L W d 520滋m 叉指 折叠梁 中心梭子 锚层 结构层 表面凸起物 3
4 中国测试 2016年7月 所示,光电二极管集成在基底中,位于浮动元件的前参考光栅(栅距g)的横向位移通过同一方向运动的 端和后端边缘位置。当流体中的浮动元件发生偏移,摩尔条纹进行放大。根据光栅的栅距,摩尔条纹周期 光电二极管在浮动元件上方相干光源照射下就会产G可表示为 生一个与剪切应力成正比的差分电流(反向偏置PN CoSo 结的泄漏电流)。传感器的静态校准表明输出响应 (14mPa-10Pa)上的最大非线性为1%,动态响应也其中a为一个固定角偏差。根据移动光栅的小位 超过了10kH。此外,与电容检测方案相比,这种传移,摩尔条纹的位移为 感器不受电磁干扰(EMI)等环境因素的影响。这种 △=6G (2) 检测方案的主要缺点是敏感元件和入射光源的远程 安装,这种分离导致传感器对光源的任意机械运动 摩尔条纹的位移可通过因子Gg1放大,如图6(b) (管道振动,管道膨胀等)都很敏感。 所示。 Chen等m提出了一种光学摩尔条纹干涉技术 为了得到作用在传感器上的剪切应力,需要 来测量壁面剪切应力。如图6(a)所示,当传感器工个能够检测摩尔条纹位移的方法。 Horowitz等通过 作在流体中时,导致浮动元件沿顺气流方向的偏移。 个1024像素线扫描电荷耦合器件(CCD)得到摩 在硅浮动元件和 Pyrex玻璃支撑结构上的铝光栅会尔条纹的图像,采用空间快速傅里叶变换(HT)计算 产生一个摩尔条纹图案,这个图案可用来放大浮动摩尔条纹的位移。Chen等直接在传感器后面安 装2×16通道光纤東,缩小了光学封装的尺寸。随后, 尔条纹图案后,通过特殊的数据处理方法计算出浮通过四通道光线阵列来调制摩尔条纹。摩尔条纹的 动元件偏移的位移。 离散部分和氮化硅抗反射涂层大大提高了该传感器 的性能:1)四通道光纤阵列正交技术求解摩尔条纹 截面A-A 相位,使封装更简单,而且提高了鲁棒性;2)摩尔条 纹的离散部分减少了通道间的串扰;3)使用氮化硅 动元件 抗反射涂层增加了条纹对比度。 动光栅 光栅反射光 1.1.2单悬臂梁浮动元件 如图7所示,单悬臂梁浮动元件可以绕一个固 涂层入射光 定的点偏移,这种设计有位移平衡和零平衡两种方 法。位移平衡直接检测浮动元件的偏移位移,与零平 衡测量维持浮动元件不动所需的力)方法相比,位移 平衡结构的设计,制造和维护的复杂度都降低了。浮 (a)传感器结构示意图 动元件与周围壁面齐平安装,它们之间存在很小的 间隙。悬臂梁的根部安装一个应变计,浮动元件的位 H 移和施加在悬臂梁根部的应变能够被测量,它们与施 加在浮动元件表面的剪切应力成正比。这种设计在 剪切应力很小时,传感器的灵敏度也很高,同时对垂 叫}G4 直壁面的压力却不敏感,并且有许多创造性的改进 可以用来扩展这种传感器的功能和操作范围。但是 加速度、温度和热传递对测量准确度都存在影响,最 大缺点是浮动元件与周围壁面的失准会引入很大的 误差。 1.2微栅栏 (b)摩尔条纹原理图 微栅栏嵌装在模型壁面,其法向为来流方向,如 图6摩尔条纹剪切应力传感器结构原理图 图8所示。核心敏感结构是固连在基底上厚度仅为 几十微米的微栅栏(薄片悬臂梁)。该敏感结构以几 摩尔条纹是通过两个栅距略微不同且相互平行百微米的凸出高度安装在模型壁面,位于边界层黏性 对齐的光栅产生的。移动光栅(栅距g1)相对于固定底层。微栅栏在流体的作用下会产生弯曲应变,通
中国测试 2016 年 7 月 所示袁光电二极管集成在基底中袁位于浮动元件的前 端和后端边缘位置遥当流体中的浮动元件发生偏移袁 光电二极管在浮动元件上方相干光源照射下就会产 生一个与剪切应力成正比的差分电流渊反向偏置 PN 结的泄漏电流冤遥 传感器的静态校准表明输出响应 渊1.4 mPa耀10 Pa冤上的最大非线性为 1%袁动态响应也 超过了 10 kHz遥 此外袁与电容检测方案相比袁这种传 感器不受电磁干扰渊EMI冤等环境因素的影响遥 这种 检测方案的主要缺点是敏感元件和入射光源的远程 安装袁 这种分离导致传感器对光源的任意机械运动 (管道振动袁管道膨胀等)都很敏感遥 Chen 等[14-17]提出了一种光学摩尔条纹干涉技术 来测量壁面剪切应力遥 如图 6渊a冤所示袁当传感器工 作在流体中时袁导致浮动元件沿顺气流方向的偏移遥 在硅浮动元件和 Pyrex 玻璃支撑结构上的铝光栅会 产生一个摩尔条纹图案袁这个图案可用来放大浮动 元件的位移袁如图 6渊b冤所示遥 光学成像系统获得莫 尔条纹图案后袁 通过特殊的数据处理方法计算出浮 动元件偏移的位移遥 摩尔条纹是通过两个栅距略微不同且相互平行 对齐的光栅产生的遥 移动光栅渊栅距 g1冤相对于固定 参考光栅渊栅距 g2冤的横向位移通过同一方向运动的 摩尔条纹进行放大遥根据光栅的栅距袁摩尔条纹周期 G 可表示为 1 G = 1 g1 - cos琢 g2 渊1冤 其中 琢 为一个固定角偏差遥 根据移动光栅的小位 移啄袁摩尔条纹的位移为 驻=啄 G g1 渊2冤 摩尔条纹的位移可通过因子 G/g1 放大袁如图 6渊b冤 所示遥 为了得到作用在传感器上的剪切应力袁需要一 个能够检测摩尔条纹位移的方法遥Horowitz 等[14]通过 一个 1024 像素线扫描电荷耦合器件渊CCD冤得到摩 尔条纹的图像袁采用空间快速傅里叶变换渊FFT冤计算 摩尔条纹的位移遥 Chen 等[15-16]直接在传感器后面安 装 2伊16 通道光纤束袁缩小了光学封装的尺寸遥随后袁 通过四通道光线阵列来调制摩尔条纹[17]遥 摩尔条纹的 离散部分和氮化硅抗反射涂层大大提高了该传感器 的性能院1冤四通道光纤阵列正交技术求解摩尔条纹 相位袁使封装更简单袁而且提高了鲁棒性曰2冤摩尔条 纹的离散部分减少了通道间的串扰曰3冤使用氮化硅 抗反射涂层增加了条纹对比度遥 1.1.2 单悬臂梁浮动元件 如图 7 所示袁单悬臂梁浮动元件可以绕一个固 定的点偏移袁这种设计有位移平衡和零平衡两种方 法遥位移平衡直接检测浮动元件的偏移位移袁与零平 衡(测量维持浮动元件不动所需的力)方法相比袁位移 平衡结构的设计袁制造和维护的复杂度都降低了遥浮 动元件与周围壁面齐平安装袁它们之间存在很小的 间隙遥悬臂梁的根部安装一个应变计袁浮动元件的位 移和施加在悬臂梁根部的应变能够被测量袁它们与施 加在浮动元件表面的剪切应力成正比遥 这种设计在 剪切应力很小时袁传感器的灵敏度也很高袁同时对垂 直壁面的压力却不敏感袁并且有许多创造性的改进 可以用来扩展这种传感器的功能和操作范围[5] 遥但是 加速度尧温度和热传递对测量准确度都存在影响袁最 大缺点是浮动元件与周围壁面的失准会引入很大的 误差[18-19]遥 1.2 微栅栏 微栅栏嵌装在模型壁面袁其法向为来流方向袁如 图 8 所示遥 核心敏感结构是固连在基底上厚度仅为 几十微米的微栅栏渊薄片悬臂梁冤遥 该敏感结构以几 百微米的凸出高度安装在模型壁面袁位于边界层黏性 底层遥 微栅栏在流体的作用下会产生弯曲应变袁通 图 6 摩尔条纹剪切应力传感器结构原理图 光纤位置 啄 G/4 驻 g2 g1 G 渊b冤摩尔条纹原理图 渊a冤传感器结构示意图 T We Lt A Lc A 浮动元件 移动光栅 g1 参考 光栅 g2 抗反射 涂层 Wt Si 截面 A-A Pyrex 玻璃 反射光 g2 入射光 g1 浮动 元件 4
第42卷第7期 雷强等:MEMS壁面剪切应力传感器研究进展 5 流体方向 它们对传感器灵敏度和谐振频率的影响,并确定了 壁面剪切应力 最优值。结果表明微栅栏厚度T的影响最大,增加 微栅栏的凸出高度H能够有效提高压阻灵敏度,谐 振频率和压阻灵敏度受微栅栏结构宽度的影响很 小;U1、U2对传感器的影响主要是由L引起的,L和 浮动元件 悬臂梁 凸出高度H对传感器的灵敏度和谐振频率影响很 空腔填充物, 大 应变计 2间接测量方法 间接测量方法主要通过测量流体其他物理量 保护壳 (比如温度,速度分布),进而推导出剪切应力。这种 图7单悬臂梁传感器结构原理图 方法需要提前了解流体环境,这是间接测量方法的 最大限制,导致采用间接测量方法的传感器应用范 围缩小。MEMS剪切应力传感器已经发展了多种间 边界层r栅栏高度 W5000 接测量方法,如热线热膜、微柱等。 2.1热膜热线 热膜剪切应力传感器的工作原理就是将传热速 率转换成电压。当电流经过由耐温性质材料构成的 敏感元件(电阻率温度系数很大)时,由于对流传热 的改变,传感器敏感元件的电阻(焦耳传热速率)会 随对流传热的改变而变化。如图9所示,典型热传感 器包括一个热膜敏感元件,该敏感元件沉积在支撑 图8微栅栏传感器结构原理图(单位:μm) 面上并暴露在流体中。工作时,敏感元件的温度被加 热到T(T远大于流体温度T),定义无量纲的过热 过两侧的压差直接测量栅栏偏移的位移,此时根部比为 压敏电阻构成的惠斯通电桥产生输出信号,这个信 号与剪切应力的大小成正比 aT=- (3) Schober等凹在悬臂梁根部植入压敏电阻去检 这种局部表面加热会在速度边界层8(x)中产生 测微栅栏偏移的位移,该微栅栏剪切应力传感器在分一个热边界层δ(x),敏感元件的电阻为 离流中具有大约lkHz的时间分辨率,但是由于微栅 R,=R[1+a(T-T) (4) 栏宽度(5mm)的限制,沿翼展方向的空间分辨率很式中:R—敏感元件的电阻; 低。可以通过逆传递函数处理将时间分辨率提高到 T—参考电阻R对应的参考温度 3kHz,使得传感器在逆流区适用于流控制。该传感 a—热电阻系数(TCR)。 器的校准曲线左右分支输出信号不对称,到目前为止 这种传感器的主要缺点是将测量的焦耳加热率 这种不对称在所有微栅栏传感器中都存在,出现这和剪切应力联系起来需要一个经验关系式。另外,由 种现象可能的原因有残余热线效应和各向异性机械于有限热惯性,传感器的动态响应存在限制,需要用 特性。 Schiffer等μ首次将微栅栏传感器在涡元流一个外部补偿来扩展测量带宽·。Ho和Lu等 中进行校准,结果表明这种传感器可以在一些特殊提出了一种新型的空腔热传感器(空腔在氮化硅膜 环境中测量剪切应力。通过不同的探针方位进行测底部),如图10所示。该传感器结构减少了传递进基 量,传感器得到一个近似正弦的输出响应,并且可底的热,提高了灵敏度,增加了带宽和降低功耗。之 以获得表面剪切应力矢量的正交分量。马骋宇等3后,研究者在Ho和Liu的空腔传感器的结构上进行 通过仿真模拟和正交试验分析了微栅栏结构参数的了扩展,主要是敏感元件的材料,新的制造工艺和增 影响,来提高和优化传感器的灵敏度。为了硏究微栅强热隔离口刭。 Andrea de luca等提出了一种基 栏宽度W、厚度T、突出高度H对传感器灵敏度和谐于钨热线和单热电堆读出电路的新型 SOI CMOS 振频率的影响(见图8),进行了仿真模拟分析凹,随MEMS热剪切应力传感器。其中 SOI CMOS制造工 后对U1、U23、L变量进行了一系列正交测试叫,研究艺使得传感器具有低成本高成品率,使芯片与驱动
第 42 卷第 7 期 过两侧的压差直接测量栅栏偏移的位移袁此时根部 压敏电阻构成的惠斯通电桥产生输出信号袁这个信 号与剪切应力的大小成正比遥 Schober 等[20]在悬臂梁根部植入压敏电阻去检 测微栅栏偏移的位移袁该微栅栏剪切应力传感器在分 离流中具有大约 1 kHz 的时间分辨率袁但是由于微栅 栏宽度渊5 mm冤的限制袁沿翼展方向的空间分辨率很 低遥 可以通过逆传递函数处理将时间分辨率提高到 3 kHz袁使得传感器在逆流区适用于流控制遥 该传感 器的校准曲线左右分支输出信号不对称袁到目前为止 这种不对称在所有微栅栏传感器中都存在袁出现这 种现象可能的原因有残余热线效应和各向异性机械 特性遥 Schiffer 等[21-22]首次将微栅栏传感器在涡元流 中进行校准袁结果表明这种传感器可以在一些特殊 环境中测量剪切应力遥 通过不同的探针方位进行测 量袁传感器得到一个近似正弦的输出响应袁并且可 以获得表面剪切应力矢量的正交分量遥马骋宇等[23-24] 通过仿真模拟和正交试验分析了微栅栏结构参数的 影响袁来提高和优化传感器的灵敏度遥为了研究微栅 栏宽度 W尧厚度 T尧突出高度 H 对传感器灵敏度和谐 振频率的影响渊见图 8冤袁进行了仿真模拟分析[23]袁随 后对 U1尧U2尧L 变量进行了一系列正交测试[24]袁研究 它们对传感器灵敏度和谐振频率的影响袁 并确定了 最优值遥 结果表明微栅栏厚度 T 的影响最大袁增加 微栅栏的凸出高度 H 能够有效提高压阻灵敏度袁谐 振频率和压阻灵敏度受微栅栏结构宽度的影响很 小曰U1尧U2 对传感器的影响主要是由 L 引起的袁L 和 凸出高度 H 对传感器的灵敏度和谐振频率影响很 大遥 2 间接测量方法 间接测量方法主要通过测量流体其他物理量 渊比如温度袁速度分布冤袁进而推导出剪切应力遥 这种 方法需要提前了解流体环境袁这是间接测量方法的 最大限制袁导致采用间接测量方法的传感器应用范 围缩小遥 MEMS 剪切应力传感器已经发展了多种间 接测量方法袁如热线/热膜尧微柱等遥 2.1 热膜/热线 热膜剪切应力传感器的工作原理就是将传热速 率转换成电压遥 当电流经过由耐温性质材料构成的 敏感元件渊电阻率温度系数很大冤时袁由于对流传热 的改变袁传感器敏感元件的电阻渊焦耳传热速率冤会 随对流传热的改变而变化遥如图 9 所示袁典型热传感 器包括一个热膜敏感元件袁该敏感元件沉积在支撑 面上并暴露在流体中遥工作时袁敏感元件的温度被加 热到 Ts渊Ts 远大于流体温度 T肄冤袁定义无量纲的过热 比为 琢T = Ts-T肄 T肄 = 驻T T肄 渊3冤 这种局部表面加热会在速度边界层 啄渊x冤中产生 一个热边界层 啄T渊x冤袁敏感元件的电阻为 Rs=Rr [ 1 +琢渊Ts-Tr冤 ] 渊4冤 式中院Rs要要敏感元件的电阻曰 Tr要要参考电阻 Rr 对应的参考温度曰 琢要要热电阻系数渊TCR冤遥 这种传感器的主要缺点是将测量的焦耳加热率 和剪切应力联系起来需要一个经验关系式遥另外袁由 于有限热惯性袁传感器的动态响应存在限制袁需要用 一个外部补偿来扩展测量带宽[1袁4]遥 Ho 和 Liu 等[25-26] 提出了一种新型的空腔热传感器渊空腔在氮化硅膜 底部冤袁如图 10 所示遥该传感器结构减少了传递进基 底的热袁提高了灵敏度袁增加了带宽和降低功耗遥 之 后袁研究者在 Ho 和 Liu 的空腔传感器的结构上进行 了扩展袁主要是敏感元件的材料袁新的制造工艺和增 强热隔离[27-28]遥 Andrea De Luca 等[29-30]提出了一种基 于钨热线和单热电堆读出电路的新型 SOI CMOS MEMS 热剪切应力传感器遥 其中 SOI CMOS 制造工 艺使得传感器具有低成本/高成品率袁使芯片与驱动 雷 强等：MEMS 壁面剪切应力传感器研究进展 图 8 微栅栏传感器结构原理图渊单位院滋m冤 边界层 T A A 壁面 有效渊凸出冤 栅栏高度 W5000 400 根部 梯形梁 H U1 L U2 栅栏 硅基底 A-A 导体 压阻 壁面 流体方向 壁面剪切应力 间距 浮动元件 空腔填充物 保护壳 应变计 悬臂梁 图 7 单悬臂梁传感器结构原理图 5